Metodoseletroanaliticos1.pdf

DQ UFSCar

LABORATÓRIO DE ANALÍTICA •BIOANALÍTICA •BIOSSENSORES •ELETROANALÍTICA & •SENSORES

MÉTODOS ELETROANALÍTICOS Orlando Fatibello-Filho LABBES / Departamento de Química Universidade Federal de São Carlos INCT de Bioanalítica [email protected]; www.ufscar.br/labbes

SÃO CARLOS CITY

FEDERAL UNIVERSITY OF SÃO CARLOS

CHEMISTRY

DEPARTMENT OF CHEMISTRY

SINÓPSE Introdução Métodos Eletroanalíticos Métodos Condutométricos Automação de Procedimentos Analíticos Métodos Potenciométricos Técnicas Voltamétricas/Amperométricas, Instrumentação, Células Eletroquímicas, Eletrodos de trabalho, Eletrodos de referências e Contra-eletrodos Métodos voltamétricos/amperométricos Instrumentação portátil Conclusões

The three musketeers (1980´s) A

B

C A. Imbracrios pHmeter (PM 608) B. Micronal conductivimeter (B330) C. Radelkis polarograph (OH 107)

Condutimetria Simples relação linear entre a condutividade da solução e a concentração de espécies iônicas contidas na mesma

Mobilidade

Condutância

Condutividade

• Boa sensibilidade • Nenhuma seletividade • Muito útil quando acoplada a técnicas cromatográficas • Titulações condutimétricas

Exemplos de células de condutométricas

Revista Isto É 2063 de 27/05/2009, p. 83-87.

Determinação condutométrica de cloridrato de fluoxetina com AgNO3 O CH

CH2

NH CH2

CH3 . HCl (aq)

+

AgNO3(aq)

F3C H AgCl(s)

+

NO3-(aq)

O +

CH

CH2

+

CH2

NH CH3 (aq)

F3C

Fig. Reação do cloridrato de fluoxetina com AgNO3(aq)

Sartori, E. R. Suares, W. T., Fatibello-Filho, O., Anal. Lett., 42, 659 (2009)

Figura. Titulação condutométrica de cloridrato de fluoxetina 1.0 × 10-3 mol L-1 com solução de AgNO3 1.0 × 10-3 mol L-1

Table. Results obtained for three pharmaceutical products employing the reference and the conductometric method

n=3 a100 x (conductometric value – label value) / label value b100 x (conductometric value – reference method) / reference method cmg tablet-1 Reference method: HPLC com detecção dmg mL-1 UV (United States Pharmacopoeia, 2000).

Tabela-Métodos condutométricos desenvolvidos para a determinação de analitos de interesse farmacêutico Analito

Titulante

Precipitado gerado

Publicação

Captopril

CuSO4

RS-— Cu2+—-SR

Quim. Nova, 31(2): 349, 2008.

Cloridrato de Metformina

AgNO3

AgCl

Quim. Nova, 32(7): 1947, 2009

Cloridrato de Fluoxetina

AgNO3

AgCl

Anal. Lett., 42: 659, 2009.

N-acetilcisteína

CuSO4

RS-— Cu2+ —-SR

Anal. Lett. 41: 3264, 2008.

Automação de Procedimentos Analíticos

Analisadores Automáticos Classificação Os analisadores automáticos podem ser enquadrados em três grandes grupos: 1. Analisadores automáticos em batelada (batch); 2. Analisadores automáticos robotizados;

3. Analisadores automáticos em fluxo.

Analisadores Automáticos em Batelada (Batch) Características: Cada amostra é processada em recipientes próprios transportada por esteiras até o detector.

Analisadores Automáticos Robotizados Características: Emprega um robô para a execução das operações de um processo analítico.

Analisadores Automáticos em Fluxo Características: A introdução e processamento da amostra, bem como a detecção ocorrem em fluxo.

Análises em fluxo


envolvimento do analista
consumo de reagentes
tempo / análise  melhor precisão  exploração de aspectos cinéticos  exploração de gradientes de concentração

Algumas vantagens do uso do sistema FIA

• automatização da manipulação de soluções; • minimização do consumo de reagentes; • elimina algumas possibilidades de contaminação; • permite o uso de reagentes e/ou produtos instáveis; • aumento na velocidade de processamento; • facilidade de incorporação de novos componentes; • simplicidade e baixo custo da instrumentação.

Características do sistema FIA

Pequenos volumes de amostra injetados ( 10 – 500 µL) Diâmetro da tubulação entre 0,5 – 1,0 mm Curto tempo de resposta ( 5 – 20 s) Tempo de limpeza (10 – 30 s) Melhor precisão analítica

Unidades do sistema FIA

Figura. Representação das unidades do sistema FIA.

Bomba Peristáltica

Válvula solenóides B R

z

V1 x

D

L

Det

D

V3

amostragem

V2 y

A

B R

z

V1 x

D

V2

L

Det

V3

inserção

y

A

D

Multicomutação V1

C V2

A

D V3

R

Análise por injeção em fluxo inserção de amostra amostragem ° °

A Det

° °

R

D

sinal

D C

t

Principais configurações dos sistemas FIA

Amostra R

Linha única

Detector

D

Detector

D

Detector

D

Zonas coalescentes em linha única

Detector

D

Zonas coalescentes em confluência

Amostra C

Em confluência

R Amostra C C R Amostra R C

OH- + HAc

H2O + Ac-

0.60-15 mg HOAc/100 mL; LD = 0.51 mg HOAc/100 mL Sampling frequency = 120 h-1

Detectores eletroquímicos

Potenciométricos

Medidas realizadas sem a passagem de corrente elétrica Baseada na mudança de potencial da superfície do eletrodo de trabalho

Amperométricos

Medidas de corrente elétrica realizadas sob a aplicação de um potencial elétrico constante Baseada nas reações oxidação e redução que ocorrem na superfície do eletrodo

Potenciometria E = E* + 0,059 / n log [ox] / [red]

Equação de Nernst

Eletrodo de prata/cloreto de prata

Eletrodo de calomelano

O eletrodo combinado de vidro

Titulações Potenciométricas

Eletrodo para gases (Severinghaus e Bradley)

Fig.Alguns eletrodos comercializados

Potenciometria Table-carbon rod ISEs and graphite-epoxy ISEs Analyte

Ion pair

Linearity / mol L-1

DL / mol L-1

S/ mol L-1

Lifetime / mon (det)

Al(III)

[Aliquat]3-n[AlFn3-n]

1.4x10-4 – 1.0x10-2

4.0x10-5

-54.3

12(3000)

Bi(III)

[Aliquat][Bi(EDTA)]

1.0x10-8 – 1.0x 10-1

6.3x10-9

-56.8

12(1600)

Co(II)

[R1R2CH3NH]n-2[Co(SCN)n]

4.2x10-5 – 1.0x10-1

1.2x10-5

-20.7

7(1200)

Cu(II)

[Cu(en)2][BPh4]2

1.6x10-4 – 1.0x10-2

8.4x10-5

22.4

4(800)

Cu(II)

[Cu(en)2][B(ClPh)4]2

1.0x10-4 – 1.0x10-2

6.9x10-5

29.2

6(1000)

Fe(III)

[Aliquat]3[Fe(citrate)2]

1.0x10-3 – 1.0x10-1

7.5x10-4

-19.3

4(800)

Fe(III)

[Aliquat]3[Fe(oxal)3]

2.9x10-6 – 10-2

2.1x10-7

-18.7

12(1600)

Analyte

Ion pair

Linearity / mol L-1

DL / mol L-1

S/ mol L-1

Lifetime / mon (det)

Fe(III)FIA

[Aliquat]3[Fe(oxal)3]

3.2x10-6 – 10-2

2.5x10-7

-18.7

4(700)

Li(I)

35 % m/m λ- MnO2

1.0x10-6 – 3.3x10-2

8.5x10-7

-58.2

6(900)

NbO(III)

[Aliquat]3[NbO(Citr)2]

2.0x10-5 – 7.9x10-3

5.0x10-6

-19.7

6(800)

Ni(II)

[Ni(dien)2[BPh4]2

5.6x10-5 – 10-1

3.7x10-5

29.5

12(1500)

Ni(II)

[Ni(en)2[BPh4]2

10-4 – 10-1

6.3x10-5

29.7

9(1200)

8.1x10-5 – 10-2

2.2x10-5

-58.2

9(1000)

10-4 – 2.0x10-2

8.0x10-5

-53.1

3(800)

Saccharin

[Toluidine Blue O] [saccharinate]

Saccharin

[Toluidine Blue O]

(FIA)

[saccharinate]

en = ethylenediamine; dien = eminobis(2-etilamine); BPh4 = tetraphenylborate; B(ClPh)4 = tetra(p-chorophenyl)borate; R1R2CH3N: tertiary fatty amine

λ-MnO2-based graphite–epoxy electrode as lithium ion sensor Potentiometric Analytical Curves

Teixeira, M.F.S.; Fatibello-Filho, O.; Ferracin, F.C.; Rocha-Filho, R.C.; Bocchi, N. Sensors and Actuators, B, 67, 96 (2000).

Selectivity coefficients

Potentiometric determination of saccharin using coated-carbon rod ISEs and a graphite-epoxy ISE H3C

O

N

N H2N

N (CH3)2

1

2

3

6 cm

2

SO2

Toluidine blue O-saccharinate Ion-pair: 5:30:65 % m/m ionpair:DBPh:PVC

3

4 2 cm

1

+

S

-

5

0.5 cm

Coated-carbon rod ISEs (1 and 2) and graphite-epoxy ISE (3)

FI-Potentiometric determination of saccharin using a tubular ISE pH

R

3

2 1

C

RE

L

S

W

6 mm

1 mm

TISE W

2-3 cm

coating

Schematic diagram of the flow system and tubular ISE of carbon rod: 1) PVC membrane with ionic pair; 2) epoxy resin coating; 3) electric connection.

Manual

FIA

8.1 x 10-5 – 1.4 x 10-2 mol L-1

1.0 x 10-4 – 1.0 x 10-2 mol L-1,

DL = 6.3 x 10-5 mol L-1

DL = 8.0 x 10-5 mol L-1

Slope = 58.9 + 0.9 mV dec-1

Slope = 53.1 + 0.4 mV dec-1

Lifetime = 9 months (over 1000 determinations)

Sampling frequency = 40 h-1

Transient potentiometric signals for saccharin determination

1.0 x 10-2 – 1.0 x 10-4 mol L-1, DL= 8.0 x 10-5 mol L-1 Slope= 53.1 + 0.4 mV dec-1 Sampling frequency = 40 h-1

Fatibello-Filho, O.; Aniceto, C. Lab. Rob. and Autom., 11, 234 (1999).

Solid-based graphite-epoxy electrodes for potentiometric measurements of pH and acid-base titration Graphite-epoxy composite

pH range

Slope / mV pH-1

Lifetime / mon (det)

Ref.

40% m/m PbO2

1.0 – 11

-58.7 + 0.3

> 8 (> 1200)

1

30% m/m silica gel

2.0 – 13

-40.5 + 0.4

> 12 (> 6000)

2

30% m/m λ-MnO2

2.0 – 13

-53.6 + 0.5

> 4 (1500)

3

30% m/m Fe2O3

1.7 – 12.5

-39.7 + 0.6

> 6 (2000)

4-6

20% magnesium silicate

1.0 – 12.0

-39.2 + 0.3

> 8 (1500)

7

Cu/Cu2S film

acid-base titrations

-59.0 + 0.5

> 3 (400)

8

Técnicas eletroquímicas Voltametria Cíclica

Figura - (A) Variação do potencial com o tempo em voltametria cíclica. (B) Voltamograma cíclico para um sistema reversível . SKOOG, D. A.; HOLLER, F. J. & NIEMAN, T. A. “Princípios de Análise Instrumental”. 5ª edição. Editora Bookman, 2002, cap. 25.

Técnicas eletroquímicas Voltametria de Pulso Diferencial

(A)

(B)

Figura- (A) Representação esquemática da aplicação de potencial em voltametria de pulso diferencial. A corrente é amostrada em S1 e S2 e a diferença entre elas é registrada; (B) Voltamograma de pulso diferencial. SCHOLZ, F., ed (2005). Electroanalytical methods. New York: Springer.

Técnicas eletroquímicas Voltametria de Onda Quadrada

(2)

(1) Figura- (1) Forma de aplicação de potencial na voltametria de onda quadrada; (2) Voltamogramas de onda quadrada esquemáticos para um sistema reversível (A) e para um sistema totalmente irreversível (B). SOUZA, D.; MACHADO, S. A. S.; AVACA, L. A. Química Nova, Vol. 26, 81-89, 2003. 54 LOVRIC, M.; KOMORSKY- LOVRIC, S.; MIRCESKI, V. Square Wave Voltammetry. ed. (2007), Berlin: Springer.

Instrumentação

Potenciostato/galvanostato AUTOLAB PGSTAT-30

Células eletroquímicas

Eletrodos de Trabalho

Eletrodo de diamante dopado com boro 8000 ppm; 0,72 cm2

Eletrodos de carbono vítreo da Tokai Carbon Co

Approximate potential ranges for platinum, mercury, carbon and boro-doped diamond electrodes 0 3.0

-3.0 1M H2SO4

Pt

1M NaOH 1M H2SO4 1M KCl

Hg

1M NaOH 1M HClO4

C

0.1M KCl

- 1.5

0.5 M H2SO4

+2.5

BDD

Aplicação de EQM em sistema FIA

Eletrodo base: Eletrodo de carbono vítreo Preparação do Eletrodo: Ciclagem de potencial entre -0,2 e 0,6 V (vs. Ag/Cl) em solução de 1,0 mmol L-1 FeCl3.6H2O e 10 mmol L-1 de K3[Fe(CN)6] Funcionamento [Fe(CN)6]4-

[Fe(CN)6]3- + AA

[Fe(CN)6]3- + e-

[Fe(CN)6]4-

Comportamento voltamétrico do sistema

Aplicação de EQM em sistema FIA

Frutas e vegetais empregados como fontes da PFO (POLIFENOL OXIDASE) e PER (PEROXIDADE) em bioreatores e biossensores.

Abacate (Persea americana)

Abobrinha (Cucurbita pepo)

Alcachofra (Cynara scolymus L.)

Berinjela Cara Batata inglesa (Solanum tuberosum) (Solanum melongena) (Dioscorea bulbifera)

Jaca (Artocarpus integrifolia L.)

Mandioca (Manihot utilissima)

Nabo (Brassica campestre ssp.)

Banana (Musa paradisiaca)

Coco (Cocus nucifera L.)

Pêssego (Prunus persica)

Batata doce (Ipomoea batatas L. Lam.)

Inhame (Alocasia macrorhiza)

Rabanete (Raphanus sativus)

Enzimas São proteínas que agem como catalisadores biológicos: enzima Composto A

Composto B Centro ativo ou sítio catalítico

Não há consumo ou modificação permanente da enzima

Emil Fisher, década 50 Modelo chave-fechadura

E e S se deformam quando em contato (alteração conformacional), para otimizar o encaixe

Daniel Kosland, 1970 Modelo Encaixe induzido

Biossensor para glicose - Radiometer®

Fig. Esquema de um biossensor OH

OH OH +

+ O 2 + 3 H PFO +

Fenol

Catecol

OH

O OH + 1/2 O 2

Catecol

PFO

H 2O

O + o-quinona

H 2O

Escurecimento de Frutas A

B

C

Escurecimento da maça, banana e pera: A) 0, B) 2 e C) 4 h, T = 50 °C Lupetti, K.O.; Carvalho, L.C.; Fatibello-Filho, O. Quim. Nova, 28, 548 (2005).

Inibição da reação enzimática

Fatibello-Filho, O.; Vieira, I. C. Quim. Nova, 24, 455 (2002). Carvalho, L.C.; Lupetti, K.O.; Fatibello-Filho, O. Quim. Nova Escola, 22, 48 (2005).

Advantages - high availability - better stability (increased lifetime) - lower cost - higher enzyme activity - simplicity of biosensor construction - required cofactors may already be present in the vegetable cell and may not need to be separately immobilized * tissues generally contain a multiplicity of enzymes and thus may not be as selective as purified enzyme biosensors. For these cases, a selective enhancement strategy should be developed.

Fatibello-Filho, O. et al. “Electrochemical biosensors based on vegetable tissues and crude extracts for environmental, food and pharmaceutical analysis”. In: S. Alegret & A. Merkoçi. Comprehensive Analytical Chemistry, Vol. 49 - Electrochemical Sensor Analysis. Amsterdam, Elsevier, 2007. Chapter 17, p. 355-375.

Vegetal cell

E E E

E

Enzymatic extract

25 g Vegetal tissue

18000 rpm 3 min 4 oC 100 mL Phosphate buffer (pH 7) + 2.5 g PVP

t=4o C

Natural phenolic compounds

Hydrogen bonds between polyvinylpirrolidone (PVP) and natural phenolic compounds Andersen, R. A.; Sowers, J. A. Phytochem., 7, 293 (1968). Vieira, I. C.; Fatibello-Filho, O. Analyst, 123, 1809 (1998).

Stability of the enzymatic extract

Stability of the enzymatic extract of sweet potato at 4 oC in: A) Polyclar SB-100; B) L-cysteine + Amberlite CG-400, and C) L-cysteine

Atividade específica da PFO Atividade da PFO em diversos vegetais Vegetal

Atividade (unidades/mg)

murici

-

jambolão

-

goiaba branca

12

goiaba vermelha

36

bacuri

72

seriguela

156

manga

432

pequi

492

carambola

887

tarumã

899

batata doce

908

jaca

5244

Fatibello-Filho, O.; Vieira, I.C. Analyst, 122, 345 (1997). Vieira, I.C.; Fatibello- Filho, O. Talanta, 46, 559 (1998). Lupetti, K.O. et al. Anal. Lett., 37, 1833 (2004).

Relative response Phenolic compound Relative response (%) Relative response (%) (substrate) Jack fruit extract Sweet potato extract catechol

100

100

hydroquinone

100

58

4-aminophenol

80

-

phenol

20

26

4-chlorophenol

15

16

p-nitrophenol

13

0

m-cresol

13

0

p-cresol

4

12

3-aminophenol

4

-

chloromethylphenol

-

24

Lupetti, K.O. et al. Anal. Lett., 37, 1833 (2004). Vieira, I. C.; Fatibello-Filho, O. Anal. Lett., 30, 895 (1997). Fatibello-Filho, O.; Vieira, I.C. Anal. Chim. Acta, 366, 111 (1998).

Price of enzymatic extracts Enzyme

Product #

Unit (U)

Price (R$)

Tyrosinase (EC 1.14.18.1) (mushroom)

T 7755

2.5 x 104

319.00

Sweet potato (1 kg)

2.8 x 109

1.00-1.50

Zucchini (1 kg)

1.1 x 1011

1.00-2.00

Peroxidase (EC 1.11.1.7) (horseradish)

5.0 x 103

320.00

P 8250-50KU 50 x 103

900.00

P 8375-5KU

P 8415-5KU Zucchini (1 kg)

5.0 x 103 1.4 x 109

1073.00 1.00-2.00

Enzyme purification Extract

Preconcentration (NH4)2SO4

Purified Enzyme

Dialysis

Size Exclusion Chromatography

Diálise

Remover os sais (utilizados para a precipitação das enzimas e eliminar substâncias de baixa Massa Molar

Figura-Em vermelho estão representadas as proteínas que são retidas pela membrana (acetato de celulose), em azul são representadas as pequenas moléculas que difundem pela membrana.

Figura- Estrutura parcial da Sephadex (ligações cruzadas da dextrana com epiclorohidrina)

Cromatografia em coluna empregando gel de exclusão molecular

Figura .cromatografia com gel . Um pequeno volume de uma mistura de proteínas é aplicado no topo da coluna. Dependendo do tamanho das proteínas, neste exemplo, as proteínas em vermelho (de menor massa molar) percolam por dentro dos poros, migrando assim mais vagarosamente pela coluna cromatográfica.

Atividade proteina

10

8

8

6

6

4

4

2

2

0

0 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Número de Frações

Absorbância280nm x 4

Atividade / U mL

-1

10

Operation principles of a biosensor based on enzymatic oxidation of monophenol and/or o-diphenol by PPO and electrochemical detection by determining molecular oxygen or the oxidation product derived from monophenol and/or o-diphenol.

Peroxidase

Kozan, J.V.B.; Silva, R.P.; Serrano, S.H.P.; Lima, A.W.O.; Angnes, L. Anal. Chim. Acta., 591, 200 (2007).

Peroxidase Catalytic Cycle •Perox-Fe(III) -OOH + H2O2 → Perox-Fe(IV)=OR• + H2O (native peroxidase) (Compound I) •Perox-Fe(IV)=OR• + AH2 (Compound I) •Perox-Fe(IV) = O + AH2 (Compound II)

→ Perox-Fe(IV) = O + A• (Compound II) →

Perox-Fe(III)-OOH + A• + H2O (native peroxidase)

•AH2 = donor substrate •H2O2 = substrate •A = free radical Robinson, D. S. and Eskin, N. A. M., “Oxidative Enzymes in Foods”, New York, 1991; Gorton, L., Anal. Chim. Acta, 330, 123 (1996); Rosatto, S.R. et al, Quim. Nova, 24, 77 (2001)

Amperometric tissue base electrodes Analyte

Tissue

Sensing element

Linear range(M)

LOD (M)

Lifetime

Ascorbic acid

Cucumber

O2

2.0x10-5- 5.7x10-4

-

< 60 assays

Atrazine

Potato

O2

2.0x10-5- 1.3x10-6

1.0x10-5

8-14 days

Catechol

Potato

O2

2.5x10-5- 2.3x10-4

-

3 days

Eggplant

O2

5.0x10-6- 2.5x10-5

1.3x10-8

3 months

Mushroom

CP

2.0x10-5- 3.0x10-2

-

1 month

Banana

O2

2.0x10-4- 1.2x10-3

-

2 weeks

CP

5.0x10-7- 2.5x10-5

1.3x10-8

30 days

Spinach

CP

1.7x10-6- 1.6x10-4

7.1x10-7

10 days

Apple

CP

4.1x10-6- 7.3x10-5

-

30 days

Hydroquinone Sweet

CP/

6.2x10-5- 1.5x10-3

8.5x10-6

7 months

Dopamine

Flavanols

H2O2 Paracetamol

Potato

Stearic ac

Asparagus

CP

5.0x10-6- 7.0x10-6

4.0x10-7

1 month

Turnip

CP

6.0x10-5- 8.5x10-4

-

1 month

Avocado

CP

1.2x10-4- 5.8x10-3

8.8x10-5

3 month

Stearic ac

(600 det)

(350 det)

Amperometric crude extract based electrodes Analyte Ascorbic acid Catecholamines Dopamine and Epenefrina Hydroquinone

H2O2 Paracetamol Phenolic compounds

Crude extract Zucchini

sensor

Linear range(M)

LOD(M)

Lifetime Mo (#det)

CP

2.0x10-4- 5.5x10-3

2.0x10-5

3 (350)

Zucchini (PER) Cara root

CP

6.1x10-6- 1.0x10-4

2.5x10-8

2 (280)

CP

5.0x10-4- 3.0x10-3

2.6x10-5

-

Gilo Ginger Zucchini

CP CP Composite

2.0x10-4 – 5.0x10-3 2.5x10-4- 2.4x10-3 6.2x10-5- 8.9x10-3

5.0x10-5 2.0x10-5 8.3x10-6

7 (800)

Artichoke Zucchini Yam

O2 CP/paraf O2

5.0x10-5- 5.0x10-6 1.2x10-4- 2.5x10-3 2.5x10-5 8.0x10-5

6.0x10-6 7.0x10-5 1.2x10-5

5 (550) 15 days

Jack fruit

CP/Carb. Ac. O2

5.2x10-6-7.8x10-4

2.0x10-7

6 (700 det)

2.4x10-5- 4.5x10-4

-

4 (450)

O2

2.0x10-4- 2.0x10-2

-

Sweet potato Mushroom

Signori, C. A., Fatibello-Filho, O., Quim. Nova, 17(1), 38 (1994).

First, second and third generation biosensors

Single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) and multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs)

A: 1-2 nm diameter

B: 2 to 100 nm separated by distance of 0.3-0.4 nm

Schematics of an individual (A) SWCNT and (B) MWCNT Merkoçi, A. et al., Trend Anal. Chem., 24(9), 826 (2005)

a

Carbon nanotubes • Good electrical conductivity and mechanical strength

• Relatively chemically inert in most electrolyte solutions • High surface activity •Wide operational potential window

•insolubility of CNTs in all solvents: end and sidewall functionalization

Wildgoose, G. G. et. al., Microchim. Acta, 152, 187 (2006); Banks, C. E. et al., Chem. Commun., 829-841 (2005); Merkoçi, A. et al., Trend Anal. Chem., 24(9), 826 (2005)

Funcionalização dos nanotubos de carbono


Tratamento dos nanotubos aumentam a sensibilidade dos eletrodos, pois há o aparecimento de grupos reativos (COO-);
A literatura retrata diversos tratamentos, que utilizam principalmente H2SO4 e HNO3 concentrados;

98

MEV-FEG

A

C

B

D

Fig. Imagens de SEM-FEG (microscopia eletrônica de varredura de alta resolução) dos nanotubos não funcionalizados (A e C) e funcionalizados (B e D). 99

Chitosan (linear β-1,4-linked polysaccharide) OH O HO

HO

O

NH3

O O

NH3

n

OH

Soluble

OH O HO

HO

O

NH2

O O

NH2

+ 2n H+

OH

Insoluble

Chemical equilibrium of chitosan in solution Pauliukaite, R. ; Ghica, M. E. ; Fatibello-Filho, O. ; Brett C.M.A., Anal. Chem., 81, 5364-5372 (2009) Pauliukaite, R. ; Ghica, M. E. ; Fatibello-Filho, O. ; Brett C.M.A. Electrochimica Acta, 2009- in press

OH

2

O

O HO

HO

O

NH2 +

O

O O

O NH2

+

OH

C HO

OH

HO O

O

NH2

O

N

OH O

OH C

O HO

C

O O

NH2

+ 2H2O

N

HO O

O

O

HO

OH

OH C

HO

O

OH

Possible mechanism of Chit crosslinking with glyoxal (OCHCHO) and glutaraldehyde (OCH(CH2 )3CHO)

O

OH

2

HO O

O

O

C

HO

HO

O

NH2

O O

HO

NH2

O + H2O + NaCl

OH

OH

C

O C HO

+

O

OH

OH O

Cl

+

O

NH2

OH C

O

HO

O

NH2

O

HO O

O HO

NH2

O O

NH2

OH

Possible mechanism of Chit crosslinking with ECH (epichlorohydrin) (OCHCH2CH2Cl)

EDC-NHS

N

C

N

N

1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) EDC O

HO

N

O N-hydroxysuccinimide (NHS) NHS

EDC-NHS

Possible mechanism of covalent binding of CNTs using Chit crosslinking and EDC/NHS (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide/Nhydroxysuccinimide)

270

C

j / µA cm

-2

180

A B

90 0 -90 -180 -270 -0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

E / V vs. SCE Cyclic voltammograms after background subtraction of 3 mM Ru(NH3)6Cl3 in 0.1 M KCl at (A) Graphite-epoxy (bare); (B) Graphite-epoxy/Chit, and (C) Graphite-epoxy/Chit-CNT electrodes (scan rate 10 mV s-1)

O

O

OH

n HO

N

O

C

A

O

C

O

NH

O

O

C

O

N

C

O

O

C

OH C

C

O

HO

O

OH

OH

C

N

N H

O

C O

O

C

N H

N

H N

O C

N

C

B

O

HN O

HO O

O

O OH

NH

O

HO O

O O

HO

NH O

OH

C

O

O O

HO

NH O

O

N

OH

O C

Scheme of possible ways of enzyme immobilisation at the electrode modified with chitosan and MWCNTs: (A) enzyme attachment directly to CNTs by EDC-NHS and (B) enzyme linked to both chitosan and to CNTs by EDC-NHS and GA.

60 50

∆j / µA cm

-2

40

-0.45 V -0.30 V -0.20 V -0.10 V 0.0 V 0.45 V

30 20 10 0 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

[Glucose] / mM

Calibration curves at GrEC/Chit-CNT/GOx biosensor for glucose in 0.1 M NaPBS pH 7.0 at different applied potentials vs. SCE Ghica, M. E., Pauliukaite, R., Fatibello-Filho, O., Brett C.M.A. Sensors and Actuators. B, 142, 308 (2009)

Biosensor: glassy carbon electrode/Chitosan/CNT/GOx/ EDC-NHS

A

B

Figura- FEGSEM, Field Emission Gun Scanning Electron Microscopy: (A): glassy carbon electrode/Chitosan/CNT/ EDC-NHS and (B) glassy carbon electrode/Chitosan/CNT/GOx/ EDC-NHS

60 45 30

I/µA

15 0 -15 -30

GC GC-MWCNT GC-MWCNT FAD GC-MWCNT FAD s biossensor

-45 -60 -1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

E/V vs Ag/AgCl Fig- Cyclic voltammograms in 0.5 mol L-1 PBS; υ = 50 mV s-1 at several electrodes ( inset)

160 120 80

I/µA

40 0 -40 -1

400 mV s

-80 -120

-1

-160 -1.0

20 mV s

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

E/V vs Ag/AgCl Figura- Cyclic voltammograms at a biosensor for glucose in 0.5 mol L-1 PBS; υ = 20-400 mV s-1

0.14

-0.28

0.12

-0.32 -0.36

0.08

Ep/V

∆Ep/V

0.10

0.06 0.04

-0.40 -0.44

0.02

-0.48

0.00 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -1

log v/ V s

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

-1

log v/ V s

Fig- Gráfico ∆Ep vs log v (A) e Epc vs the loga v (B) para cálculos da transferência direta de elétrons (E. Laviron, J. Electroanal. Chem., 101 (1979) 19)

α = 0,49

k = 1,70 s-1

ip= 2,69x105 x A x D1/2 x n3/2 x C x υ 1/2 (1)

100

A. ativa=0,076 cm2

90 80

80

A B R

70

-7,05751E-7 1,48576E-4 0,99976

60 50

I/ A

60

40

i

30

40

20 10 0 0.0

0.1

I / µΑ

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

V1/2

20 0 -20 -40

a

-60 -80 -100 -0.2

0.0

0.2

0.4

0.6 -1

E / V vs. Ag/AgCl (KCl 3 mol L )

Figura XX: Voltamogramas cíclicos de hexacianoferrato em KCl 0,1 mol L-1, nas velocidades de 10mV a 300mV(a – i), utilizando o eletrodo de filme de CNTs/DHP sobre carbono vítreo na presença de hexacianoferrato de potássio 1 x 10-3 mol L-1. B. C. Janegitz, O. Fatibello-Filho, Bioelctrochemistry , submetido

80 pH 8,5

60

5

Slope de E1/2 vs. pH= -61,0 mV/pH

40

I/µA

20 0 E1/2/V vs Ag/AgCl

-20 -40 -60 -80 -1,2

-0.30 -0.35 -0.40 -0.45 -0.50 -0.55

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

4.8 5.6 6.4 7.2 8.0 8.8 pH

0,0

0,2

próximo da teoria (-59,2 mV/pH) a 25 °C para sistemas reversíveis com 2p e 2e

0,4

E/V vs Ag/AgCl

Figura XX. Dependência dos ciclovoltamogramas do eletrodo GOx/CNTs/DHP/GCE em PBS 0,1 M em diferentes valores de pH. Os pHs foram de 8,5, 7,0, 6,0 e 5,0, respectivamente e velocidade de varredura de 50 mV s-1.

GOD-FAD + 2e- + 2H+

GOD-FADH2

Preparação dos eletrodos

114

Funcionalização dos nanotubos Voltametria de redissolução anódica •80 % nanotubos (m/m) + 20 % nujol (m/m) •-0,2V por 270 s •25 mV s-1 (B)

300

300

250

250

200

200

I/ µ A

I/µA

(A)

Nanotubos funcionalizados

150 100

150 100 50

50

0

0 -50

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

E/ V vs. Ag/AgCl

0,8

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

E / V vs. Ag/AgCl

Figura 5 e 6 -Voltamogramas lineares obtidos com os eletrodos contendo nanotubos não funcionalizados (A) e funcionalizados (B), em NaNO3 0,1 mol L-1, na presença de Cu2+ 9,0 x 10-5 mol L-1. 115

Anodic stripping voltammetric determination of copper(II) using a functionalized carbon nanotubes paste electrode modified with crosslinked chitosan

Voltametria de redissolução anódica •25 mV s-1 •-0,2V por 270 s EPNM-QTS-ECH 30

D

I/µA

20 10 A

0 -10 -0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

E/V vs. Ag/AgCl

Figura. Voltamogramas de redissolução para EPN (A), EPNM-QTS (B), EPNMQTS-GA (C) e EPNM-QTS-ECH (D) em solução de NaNO3 0,1 mol L-1 na presença de Cu2+ 9,0 x 10-5 mol L –1, ν = 25mV s-1, a 25ºC. B. C. Janegitz, L. H. Marcolino-Junior, S. P. Campana-Filho, R. C. Faria, O. Fatibello116 Filho, Sensors and Actuators B 142 (2009) 260–266

Curva analítica do EPNM-QTS-ECH para Cu2+ utilizando voltametria de redissolução anódica 6

16

12

14

8

12

1

4

I/ µ A

I/ µ A

16

0

10 8 6

-4

4

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0

0,2

40

60 2+

E/ V vs. Ag/AgCl

Figura- Voltamogramas obtidos para a construção da curva analítica EPNM-QTS-ECH com 15% (m/m) QTS-ECH em de KNO3 0,05 mol L-1; para a determinação íons Cu2+ ; pH = 2,25; ν = 100 mV s-1; a 25ºC.

20

80 100 120 140 160 -8

[Cu ]/ 10 mol L

-1

Figura- Curva analítica Linearidade : 7,93 x 10-8 a 1,6 x 10-5 mol L-1 L D =1,06 x10-8 mol L-1 , LQ= 7,93 x 10-8 mol L-1 n=10 RSD= 3,12% 117

Determinação de Cu2+ em amostras Concentração de Cu (II) (µ µmol L-1) Amostra

Método

Método proposto

Erro relativo %

0,50 ± 0,03

0,52 ± 0,09

4,0

2,4 ± 0,2

2,3 ± 0,1

-4,1

3,5 ± 0,2

3,6 ± 0,1

1,0

10,7 ± 0,2

11.1 ± 0,1

3,6

comparativo* Urina humana

Resíduo industrial

Eletrodo de diamante dopado com boro

 produzido sinteticamente por Deposição Química a partir da Fase Vapor (CVD) utilizando: filamento quente ou plasma de microondas;  hidrogênio/metano/trimetilboro;  substrato - silício Dopagem: 1,0 x 1021 cm-3;

Aplicações:  tratamento de águas • poluentes orgânicos • poluentes inorgânicos ELETROANÁLISE

eletrosínteses • orgânica • Inorgânica metal para fim industrial 119

HUPERT, M.; MUCK, A.; WANG, J.; STOTTER, J.; CVAKOVA, Z.; HAYMOND, S.; SHOW, Y.; SWAIN, G. M. Diamond and Related Materials. 12: 1940, 2003.

Propriedades • estabilidade de corrosão em meios muito agressivos; • baixa e estável corrente de fundo; • extraordinária estabilidade morfológica e microestrutural a altas temperaturas (por exemplo, 180ºC); • boa resposta a alguns analitos em soluções aquosas e nãoaquosas com pré-tratamento convencional; • fraca adsorção de moléculas polares, o que melhora a resistência do eletrodo à desativação ou envenenamento; • estabilidade de resposta a longo prazo; • transparência óptica nas regiões de UV/Vis e IV do espectro eletrogravimétrico; • e finalmente, o eletrodo de diamante dopado com boro possui uma larga janela de potencial em meio aquoso e não aquoso. PECKOVÁ, K.; MUSILOVÁ J.; BAREK J. Critical Reviews in Analytical Chemistry. 39: 148, 2009

Pré – tratamentos eletroquímicos  Mudança no comportamento eletroquímico devido a terminação da superfície do eletrodo  Terminação em hidrogênio ou em oxigênio Pré-tratamento Anódico

Oxigênio

Pré-tratamento Catódico

Hidrogênio

SALAZAR-BANDA, G. R., ANDRADE, L. S., NASCENTE, P. A. P., PIZANI, P. S., ROCHAFILHO, R. C., AVACA, L. A. Electrochimica. Acta. 51(22): 4612, 2006.

Figura : Voltamograma cíclico do pentaclorofenol(A) a 4-clorofenol (B), (---) Após pré-tratamento anódico ( ) após pré-tratamento catódico.

Figura : Voltamograma cíclico do K4Fe(CN)6(A) e ferroceno(B), (---) após pré-tratamento anódico, ( ) após pré-tratamento catódico.

SUFFREDINI, H.B.; PEDROSA, V.A.; CODOGNOTO, L.; MACHADO, S.A.S.; ROCHA-FILHO, R.C.; AVACA, L.A. Electrochimica. Acta. 49(22-23): 4021, 2004.

Aspartame and cyclamate in dietary products

Square-wave voltammetry on the HT-BDD Aspartame: 5.0x10-6–5.0x10-5 M; LOD=4.7x10-7 M Cyclamate:5.0x10-5-5.0x10-4M; LOD= 4.2x10-6M Medeiros, R. A., et al., Talanta, 76, 685 (2008)

Paracetamol (A) and caffeine (B) in pharmaceuticals Differential pulse voltammetry Paracetamol: 5.0 x 10-7- 8.3 x 10-5 M LOD:4.9 x 10-8 M Caffeine: 5.0x10-7 - 8.3 x 10-5 M LOD: 3.5 x 10-8 M

Lourenção, B. C., et al., Talanta, 78, 748 (2009)

Boron-doped diamond in Flow-injection Analysis A

2 A

3

1

B

8

4

C

5

D

6

7 F

E

G

Fig. Amperometric/Voltammetric flow cell used for the determination of H

Richter, E.M.; Jesus, D.P.; Neves, C.A.; Lago, C.L.; Angnes, L. Quim. Nova, 26, 839 (2003)

FIA-Multicommutation with stoped-flow and DPV -1

B

8

A

7

2.4 2.0

6

1.6

5

1.2

4

t / min

50 40 30 20 10 0

I / µA

30 h

0.8

3

0.4

2 1

0.8

1.0

0.0

gCl E / V x Ag/A

(A) Diagram of the multicommuted stop-flow system: V1 and V2: solenoid valves; A: sample or standard solution and C: carrier solution; (B):Transient DPV signals in triplicate for Sulfamethoxazole (SMX) (1.0 – 8.0 mg L-1) and Trimethoprim (TMP) (0.2 – 1.6 mg L-1) determination in pharmaceuticals Andrade, L. S.; Rocha-Filho, R.C.; Cass, Q.;Fatibello-Filho, O. Electroanalysis, 21, 1475 (2009)

A multidimensional high performance liquid chromatography method coupled with amperometric detection using a borondoped diamond electrode for the simultaneous determination of sulfamethoxazole and trimethoprim in bovine milk

Andrade, L. S.; Rocha-Filho, R.C.; Cass, Q.;Fatibello-Filho, Anal. Chim. Acta, 654, 127 (2009) Andrade, L. S.; Rocha-Filho, R.C.; Cass, Q.;Fatibello-Filho, Anal. Methods, 2, 402 (2010)

Fig. (A) Hydrodynamic voltammograms obtained for SMX (full line) and TMP (dashed line). (B) Chromatogram obtained at 1.25V vs. Ag/AgCl (3.0 mol L1 KCl). [SMX] = [TMP] = 2.0 mgL−1. Chromatographic conditions: 0.05 mol L−1 KH2PO4 (pH 5.0):ACN (82:18, v/v).

Bismuth film determination

electrode

for

anodic

stripping

SWV

lead

B

A

C

Bi deposit

= Copper plate

3-electrodes scheme

Insulating film

Definition of the superficial area

Ag deposit

= Bi Film mini-sensor

(A): PalmSens and (B): DropSens potentiostats and (C) BiSPE preparation

Bismuth film electrode

electrode

Determination of lead

16

28

12

20

∆Ιpa / µA

∆Ιpa / µA

24

16 12 8

8 4

4 0 -0,8

-0,7

-0,6

-0,5

E / V vs. Ag/AgCl

-0,4

0 0

1

2 2+

3

4

[Pb ] / µmol L

5 -1

Anodic stripping voltammograms of 9.9 x 10-8 – 8.3 x 10-6 lead (LD of 5.8 x 10-8 M) in 0.1 M acetate buffer (pH 4.5), using square-wave mode. Deposition at 1.1 V for 2 min; pulse amplitude of 28 mV; increment of potential of 3 mV and frequency of 15 Hz.

Eletrodo de filme de bismuto para determinação de paraquat

Em HAC. Em pH 4,5 Com técnica de pulso diferencial catódico.

Figueiredo-Filho, L. C. et al, Electroanalysis (2010)- in press

DPV para determinação de Paraquat

Além de paraquat, pode-se determinar simultaneamente Cd2+ e Pb2+. Figueiredo-Filho, L. C. et al, Electroanalysis (2010)- in press

Determination of PQ in six natural water samples by BIFE and HMDE (reference).

Samples* /µ mol L-1

HMDE

BIFE

ER (%)

A1

59.03 ± 0.06

58.73 ± 0.03

-0.51

A2

58.74 ± 0.01

59.23 ± 0.00

0.84

A3

58.35 ± 0.03

57.41 ± 0.02

-1.61

A4

29.36 ± 0.08

29.56 ± 0.03

0.68

A5

29.23 ± 0.05

27.97 ± 0.02

-4.31

A6

27.95 ± 0.05

29.51 ± 0.02

5.58

*The

SD (±) was calculated from three replicates.

As formiguinhas (Nossa Equipe)!!!